DDS синтезатор частоты от RX3AKT

Уважаемые коллеги!
Предлагаемый мною синтезатор предназначен для решения одной из самых "больных" проблем нашего хобби - проблемы свойств гетеродина приемопередатчика. Всем известны мучения при настройке и эксплуатации известных схем параметрических генераторов ВЧ. Здесь и нестабильность частоты и воздействия на нее при плохом КСВ применяемой антенны. Проблемы с КПЕ, верньерами, шкалами, точностью установки частоты, расстройками.

Можно было бы долго жаловаться на судьбу и перечислять все "болячки" наших ГПД. Известны попытки решения хотя бы некоторых проблем параметрических гетеродинов. Самая замечательная попытка была предпринята В. Дроздовым (RA3AO) в конструкции его знаменитого трансивера. В чем же суть его методики? Известно, что многие параметры генераторов с LC резонансными контурами зависят от добротности этих контуров. Однако, в диапазоне КВ добротность контуров в принципе не может иметь достаточно высокого значения, по сравнению, например, с добротностью того же кварцевого резонатора, что бы решить возникающие проблемы. Решить эту проблему можно применяя только объемные резонаторы. У них добротность получается на порядок лучше, чем у LC контура. Этим и воспользовался Владимир. Знаменитый "шумовой фактор" его гетеродина достигнут именно благодаря использованию качественно изготовленного объемного коаксиального резонатора. С другой стороны, габаритные размеры добротного резонатора зависят от его резонансной частоты. Сделать объемный резонатор на КВ с приемлемыми размерами невозможно. Пришлось делать его на частоты выше 100 МГц и потом понижать частоту с помощью цифровых делителей. По тем временам на частотах до 150 МГц работали только что появившиеся 100 и 500-я серии микросхем. Так называемая эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ). Недостатки ее общеизвестны - большое потребление энергии, ненормированные (не TTL) логические уровни. Альтернативы на тот период не было.

Кстати, многие радиолюбители до сиих пор уверенны, что поделив частоту простого высокочастотного LC генератора можно получить тот самый "малошумящий" сигнал, как в трансивере Дроздова. Как они ошибаются! Ведь абсолютная (в процентах относительно значения частоты) нестабильность и "зашумленность" сигнала будет той же, что на КВ, если не хуже! И при делении все пропорционально перенесется на более низкие частоты. Стоит ли "огород городить"?

Еще одно замечание - RA3AO был в одном шаге от создания трансивера с преобразованием вверх, на высокую первую ПЧ. Но не сделал этот шаг! Почему? Это другой вопрос. Что дает "преобразование вверх" - наверное объяснять не нужно. Принципиально решается проблема подавления зеркального канала приема в супергетеродине. А при хорошем первом смесителе можно "обнаглеть" и отказаться от диапазонной преселекции на входе приемника. Значительное упрощение конструкции радиостанции! Например, все импортные трансиверы сделаны с первой ПЧ порядка 70 МГц. А они там, "за бугром", далеко не дураки!

Собрав генератор на кварцевом резонаторе многие перечисленные проблемы решаются как бы автоматически. И стабильность и точность частоты - любо, дорого смотреть и слушать! Один только недостаток - частоту нельзя изменять! Вот если бы появилось "нечто", что позволило иметь "кварцевую" стабильность частоты да к тому же возможность перестройки частоты в широком диапазоне! И здесь известен способ решения такой задачи - синтезатор частоты. Раньше это была экзотика - ГУН-ы, ДПКД, ФАПЧ-и - завораживающие слова! Сейчас применение синтезаторов в радиолюбительской аппаратуре становится привычным. Но и по сей день многие не подозревают, что существует два очень разных способа построения синтезаторов. Первый - синтезатор с замкнутой петлей фазовой автоподстройки частоты (PLL). И второй - получение частоты методом прямого цифрового синтеза (DDS). Объяснение сути каждого из этих методов выходит за рамки этой статьи. Скажу только о некоторых особенностях каждого метода. Стремясь получить "мелкий" шаг перестройки в PLL синтезаторе, при сохранении его параметров, неизбежно необходимо увеличивать "время срабатывания петли ФАПЧ". Это приводит к заметным по времени переходным процессам при изменении частоты. Это очень неприятно на слух. К тому же в ФАПЧ - синтезаторах есть чему подвергаться воздействиям. Например генератор управляемый напряжением (ГУН) принципиально может подвергаться воздействию на частотах выше частоты срабатывания петли фазовой автоподстройки. При неблагоприятных условиях, плохой экранировки, наводках и др., это приводит к заметной частотной модуляции. Например при плохом согласовании с антенной и импортные трансиверы страдают этой болезнью. Ведь и в них во всех то же используются одно-петлевые синтезаторы с ФАПЧ. Некоторые возразят: "Там используются DDS синтезаторы. Так написано в инструкции!". И будут правы! Но только на половину! Или не правы на столько же! На самом деле DDS в импортных трансиверах используется в качестве или ДПКД с "плавным" коэффициентом деления или как изменяемый источник опорной частоты. Однако же ГУН присутствует! А, значит, есть чему подвергаться воздействию! Этот же принцип "совместного" использования PLL и DDS для построения синтезатора используется в известных конструкциях радиолюбительских синтезаторов.

Техника Прямого Цифрового Синтеза (DDS) в последнее время развивается бурными темпами. Я не буду вдаваться в тонкости самого принципа. Он многим до сих пор совершенно не понятен. Особенно, как ни странно, специалистам по цифровой технике. Нам трудно осознать, как можно путем деления частоты опорного кварцевого генератора получить сетку частот с шагом около 0,1 Гц, причем без всяких там ГУН-ов и петель ФАПЧ! Коснусь только общих вопросов прямого синтеза. Технологические прорывы в зарубежной микроэлектронике способствуют появлению на рынке микросхем функционально законченных DDS синтезаторов. С уменьшением размера "базового элемента" на чипе, автоматически увеличивается его быстродействие при заданном потреблении тока от источника. Это позволяет сделать то, что было невозможно совсем недавно. Нам, в России, остается только "потреблять" их микросхемы и делать на них наши устройства. То же не плохой путь развития за неимением другого!

Так вот, осциллограмма синусоидального сигнала на выходе DDS синтезатора "под увеличительным стеклом" на самом деле состоит из мелких ступенек. Их количество за период колебания зависит от частоты формируемого сигнала, частоты опорного генератора (повторение ступенек) и разрядности ЦАП-а с выхода которого и поступает сигнал (максимально возможное число ступенек по амплитуде). Интерес конструкторов вызвал выпуск фирмой ANALOG DEVICES 98-й серии DDS. Не успели мы "вкусить прелести" прямого синтеза на этих микросхемах, как та же фирма около двух лет назад выпустила следующую, 99-ю серию синтезаторов, которая буквально затмила собой свою предшественницу. 98-я серия по рекомендациям фирмы производителя не предназначена непосредственно для использования в качестве гетеродина приемника или передатчика. У не другие задачи. А вот новая, 99-я серия, опять та ки по данным разработчиков, уже может применяться в таком качестве. Процесс появления новых микросхем столь скоротечен, что производители импортной техники для радиолюбителей еще не успели ничего на них произвести. Но, "у них не заржавеет", они скоро произведут. Будьте уверенны! А пока слово за нами!

Платой за прогресс является неуклонное уменьшение размеров корпусов новых микросхем. Здесь и тенденция к общему снижению габаритов радиоаппаратуры и требования к уменьшению внешних и внутренних взаимовлияний сигналов при увеличении их частоты. На вопрос к дилерам: "Почему перестали делать микросхемы, к примеру, в DIP корпусах?". Дилер отвечает, что на мировом рынке микросхемы в таких корпусах не нужны. Нет потребления! А что же делать нам - "слепым" радиолюбителям? Выход как всегда есть! В свое время в строительстве перешли от кирпичной кладки к блочным конструкциям, а затем и к монолитным. Нам тоже необходимо переходить к крупным, функционально законченным, блокам и узлам из которых, как из детских кубиков, можно будет создавать более или менее сложные конструкции. По желанию "строителя"! Ведь "поконструировать" ох как хочется! А по старому - уже нельзя. Вопрос только один - кто создаст эти самые блоки и на каком уровне? Делать что то из блоков, которые сами то сделаны из... непонятно чего - тупиковый вариант. Кто же создаст новые, совершенные блоки? Ответ однозначный - только не радиолюбители! Такое под силу только специалистам - профессионалам! А где же взять профессионала, который будет трудиться на благо нас - радиолюбителей? Да из среды же "нашего брата"! Но, только этот радиолюбитель должен в первую очередь быть все же профессионалом, и в плане квалификации и в плане того о чем в нашей "хэмовской" среде как то не принято говорить - о деньгах! Профессионал потому и профессионал, что он "продает" свою профессию за деньги. Прошло то время, когда на чистом энтузиазме создавались грандиозные проекты! Мы живем в другой стране, в других условиях. И если Вы хотите иметь для своих "самоделок" что то принципиально новое, тогда - платите ваши денежки! Возражения типа: - "Вот он не предоставил прошивки программ или разводку печатной платы. Он не настоящий радиолюбитель! Он - торгаш!". Теперь просто не имеют под собой никаких оснований! Взять хотя бы принципиальную схему синтезатора. Схема устройства в котором применена программируемая логика или микроконтроллеры теперь не несет почти никакой информации. Например схема моего синтезатора состоит в основном из двух квадратов соединенных линиями проводов. Даже специалисту это ничего не скажет! Стоит ли ее показывать! "Забугорные" производители электроники уже давно перестали придавать принципиальные схемы к своим изделиям, телевизорам, компьютерам и другой аппаратуре. Она не пригодна к ремонту привычными нам средствами. Ее ремонт будет стоить гораздо дороже, чем покупка нового аппарата! Так зачем тратить средства на бумагу? Что касается разводки печатной платы, я глубоко убежден, что четырехслойная печатная плата моего синтезатора не может быть воспроизведена в радиолюбительских условиях. Там слишком тонкие дорожки и специальная топология с разделением аналоговых и цифровых питания и земель. Припаять, к примеру, на плату микросхему синтезатора (AD9952YSV - смотри в и-нете) размером 7х7 мм и с 48-ю ножками по периметру не профессионалу, простому радиолюбителю с молотковым паяльником, просто не реально! Теперь прошивка. Программу, объемом 8 килобайт машинного кода я сочинил на языке ассемблера, потратив на это массу времени и сил. Правда, получая во время работы некоторое творческое удовольствие. Неужели за этот свой труд я не заслужил скромный гонорар!? (Hi!)

На очереди создание следующих "крупных блоков" - законченных устройств, несколько меняющих свое назначение в зависимости он включения имеющихся выводов. Это в первую очередь универсальный смеситель. Затем - тракт ПЧ с АРУ. И, наконец, низкочастотная часть трансивера. О ходе создания этих устройств я буду рассказывать по эфиру, а так же на сайте www.cqham.ru

Желающие задать вопрос по синтезатору или по другим моим конструкциям, могут обращаться ко мне по электронной почте по адресу: SA_RX3AKT@MTU-NET.RU (между SA и RX3AKT - "знак подчеркивания", или "нижнее тире")
Технические подробности о синтезаторе можно прочитать в файле DDS_AKT1.PDF
О смесителе можно прочитать здесь и в журнале "Радиодело" номер 10 за этот год.

Это устройство способно генерировать электрические сигналы синусоидалиной и прямоугольной формы в диапазоне частот от нуля (постоянный ток) до 150 МГц, с шагом 10 Герц и кварцевой стабильностью…

Дисплей синтезатора показывает частоту, номер одного из пятнадцати VFO, режим работы трансивера RX/TX и частоту расстройки на прием RIT.

Синтезатор задуман, как универсальное устройство с большими возможностями и широким кругом областей применения в радиотехнике. Его можно использовать в качестве гетеродина для приемопередатчика, микрогенератора стандартных сигналов, генератора для измерительной аппаратуры антенноскопов, ГИР-ов и т.д. Но, конечно, в первую очередь синтезатор ориентирован на применение в качестве гетеродина для трансивера. Когда в беседах с радиолюбителями обсуждался вопрос об органах управления синтезатора, то стало понятно, что учесть в одной конструкции все пожелания неудастся никогда. Было принято решение создать генератор с минимально необходимым набором функций управления, достаточным для использования его в качестве гетеродина приемопередатчика. A все другие функции реализовать через систему внешнего управления, например, от главного контроллера трансивера. Синтезатору оставлены только функции перестройки и набора частоты, расстройки на прием. Пользователь может самостоятельно, через меню, устанавливать сдвиг выходной частоты на величину ПЧ, которая затем запоминается. Второстепенные функции, такие, как сканирование, работа кросбендом и сплитом, синтезатором не осуществляются. Тем не менее, собственные управляющие возможности синтезатора вполне достаточны для того, что бы на его основе сделать простой трансивер с качественными параметрами.

Пиковая амплитуда синусоидального сигнала 250 мВ Напряжение прямоугольного сигнала 0 1,8 В Минимальный шаг перестройки 10 Гц Диапазон расстройки +/- 9,99 кГц Число независимых VFO 15 (от 1 до F) Они же ячейки памяти или диапазоны.

Частота и номер VFO сохраняются в памяти при выключении питания и восстанавливаются при его включении.

Индивидуальная установка значения ПЧ для каждого VFO

Шаг установки значения ПЧ 1 Гц Управляющий сигнал для переключения внешних диапазонных устройств

Время хранения значения ПЧ в памяти

неограничено

Число переустановок значения ПЧ

более 100000 раз

Число способов управления синтезатором

5

Интерфейс управления

СОМ порт, 1200 Бод, TTL

Индикация режима —прием передача“ RX/TX
Логическая единица на входе управления —RX/TX“ (вывод 34 платы) прием. Расстройка RIT учитывается
Логический ноль на входе управления —RX/TX“ передача. Рассторойка отключена. Индицируется реальная частота передачи.
Имеется возможность общего сброса синтезатора с установкой всех частот VFO —по умолчанию“ и с обнулением всех ПЧ в памяти.

2. База.

Недавно разработанный фирмой ANALOG DEVICES чип DDS синтезатора AD9952 (смотри сайт ANALOG.COM) позволил создать генератор с достаточно качественными параметрами выходного сигнала. Так, фирма производитель гарантирует спектральную чистоту выходного сигнала, по сравнению с уровнем паразитных составляющих, на уровне более 80дБ, на частоте 160 МГц в диапазоне +/- 100 КГц. Уровень фазового шума не превышает 120 dBc/Hz на частоте +/- 1 КГц в стороне от частоты основного сигнала во всем диапазоне перестройки. Реальные замеры параметров сигнала синтезатора подтвердили эти цифры. Но для их получения необходимо было удовлетворить следующие условия: -рациональная многослойная топология разводки печатной платы и минимальные собственные шумы опорного генератора. Для минимизации шумов так же очень важно было выбрать и применить в схеме хороший управляющий контроллер, разработать программу, в частности, заставляющую его —засыпать“, когда он не активен. К стати, при исследовании данного синтезатора анализатором спектра признаков работы контроллера в выходном сигнале не обнаружено. В данной конструкции применяется AVR контроллер ATMEGA8515 производства фирмы ATMEL (смотри сайт ATMEL.COM). Его внутренняя оперативная флэш -память способна хранить переменные параметры синтезатора такие, как значение ПЧ или рабочая частота. Эта частота и номер текущего VFO, сохраняются при выключении питающего напряжения и восстанавливаются после его включения. При этом никакой подпитки, никаких батареек, не требуется.

3. Программа.

Основной проблемой при разработке и создании синтезатора был не запуск чипа DDS, не трудности в разводке и изготовлении четырехслойной печатной платы, а создание программы для контроллера. Она позволяет принимать и обрабатывать сигналывы от органов управления и о режиме RX/TX. Выводить информацию на ЖКИ дисплей о частоте одного из пятнадцати VFO (ГПД). Индицировать номер рабочего VFO и частоту расстройки в режиме приема RIT. Производить математические вычисления по учету частоты RIT и промежуточной частоты, предварительно установленной через меню иyдивидуально для каждого VFO, для расчета реальной частоты выходного сигнала. Перекодировать эту частоту в 32-х разрядное двоичное число для управления микросхемой DDS и последовательная передача этого числа в чип синтезатора.

4. Дисплей.

В синтезаторе используется отдельная покуплая плата ЖКИ индикатора. Она неразъемно скреплена с платой синтезатора. Индикатор имеет две строки по шестнадцать знаков в каждой. Каждый знак образован матрицей точек 5х10 и способен отображать цифры, буквы русского и английского алфавита, а так же графические символы. Индикатор имеет свой контроллер, который —общается“ с контроллером синтезатора через собственный интерфейс, как ячейка памяти. Индикатор имеет одно напряжение питания +5 Вольт и подсветку экрана. Еще индикатор на уровне своего —железа“ может индицировать два вида курсора, мигающий и постоянный, подчеркивающий. Это свойство индикатора используется программой синтезатора для удобного, но непривычного для пользователей импортных трансиверов с цифровой клавиатурой, способа набора частоы, установки номера VFO, работы в меню. Об этом -ниже.

2. Данные
Тип чипа синтезатора	AD9952-YSV
Тип контроллера	ATMEGA8515-16AI
Тип ЖКИ	МТ-16S2H v.3
Напряжение питания	+13,8 В	+/- 35%
Ток потребления	150 мА
Диапазон перестройки частоты	0 Гц 150,000 МГц
Форма выходного сигнала	Синусоидальная и прямоугольная

Время хранения значения ПЧ в памяти	неограничено
Число переустановок значения ПЧ	более 100000 раз
Число способов управления синтезатором	5
Интерфейс управления	СОМ порт, 1200 Бод, TTL